本发明专利技术涉及高储能密度的铌酸盐基玻璃陶瓷储能材料及其制备和应用，按配方配料后，铌酸盐基玻璃陶采用高温熔融-快冷急技术制得透明铌酸盐玻璃；然后通过可控析晶制备得到高储能密度的铌酸盐基玻璃陶瓷储能材料。与现有技术相比，本发明专利技术具有制备成本低、制备工艺简单、介电常数高、储能密度大等优点，能被用作高储能电容器、脉冲技术材料。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电介质储能材料及其制备方法和应用，尤其是涉及一种。
技术介绍
随着能源化石材料的消耗，环境的急剧恶化，人类对能源危机和环保的意识逐渐提高，新型可再生能源受到越来越多人的关注。近年来，在各国能源、交通、电力、通讯等部门的高度重视下，新能源如:电能、风能、太阳能、核能……的发展得到了一定的成绩。然而储能材料却成为制约各国新能源发展的技术瓶颈。发展高效储能技术，对于提高能源的综合利用率、缓解我国当前能源供应紧张的状况具有重要的意义；最理想的储能材料应具有高储能密度、高功率密度、低损耗等优点。最常研究的锂离子电池和固体燃料电池储能材料，其有储能密度的优点但是功率密度却不高，不能作为高脉冲、移动设备的电源。最近几年科学家们一直在寻求一种既有高储能密度又有高功率密度的储能材料。科学家Ragone指出静态电容器具有高功率密度(104-107W/kg);最近研究指明超级电容器结合了高功率、高储能密度的特点。但是，要想使电容器材料具有高储能密度，这个材料就必须要有高的介电常数和高的耐击穿电场。当前应用于电容器的储能材料主要包括下列几种:(1)传统的铁电陶瓷，其优点在于高的介电常数，但是其内部气孔率高，致密度低，耐击穿电场低，并且由于其内部结构的不致密导致电容器的内耗大，易于在电容器内部产热而损坏电子元器件。(2)高聚物储能材料，其优点在于高的耐击穿电场(如PVDF?3MV/cm)，但是高聚物的介电常数极极低(〈10)，从而导致其储能密度也不高，另外高聚物储能材料的热稳定性差，若电子元件产热过高容易损坏电容器。作为最近热点研究的储能材料-玻璃陶瓷储能材料，采用高温-熔融的方法，首将玻璃和陶瓷成分熔化制备出玻璃熔浆。然后，块状玻璃的成型和去应力；最后，通过可控析晶的方法制备出大比例的亚微米、纳米尺寸的晶体和残余的玻璃相组成的且是无孔隙的玻璃-陶瓷，在可控析晶过程中，通过调整产生陶瓷相的金属氧化物及玻璃相网络形成体的相对比例，可以实现对结结相晶粒粒尺和含量的有效控制，从而玻璃陶瓷材料的性能在极大程度上得到优化。这种经过高温熔融再可控析晶制备出的玻璃陶瓷具有高介电常数、高致密度、高耐击穿的特点。从而达到高的储能密度。与传统的钛酸锶钡基玻璃陶瓷相比，铌酸盐基陶瓷相更能在其玻璃基体里通过可控析晶得到(析晶温度低)，从而使铌酸盐基玻璃陶瓷优于钛酸锶钡基玻璃陶瓷的介电常数；在钛酸锶钡基玻璃陶瓷高温析晶过程中，过多的钡元素会导致玻璃陶瓷中出现枝状晶，对其耐击穿电场极为不利，而铌酸盐基玻璃陶瓷没有此类担心的内在因素。此方明中以高的介电常数的铌酸钾锶为陶瓷相，以硼铝硅为玻璃相的组成，在低的热处理温度下，得到高介电常数、高的耐击穿电场的铌酸盐基玻璃陶瓷复合材料，这对介质储能材料的实际应用具有重要意义。近年来，铌酸盐玻璃陶是国内外热点研究的另一类高储能玻璃陶瓷材料。铌酸盐微晶玻璃主要由具有钨青铜型结构和钙钛矿结构的铌酸盐晶体与玻璃相组成的复合材料。在铌酸盐玻璃陶瓷体系中，一些学者对其进行相应的优化、掺杂改性研究。M.P.Graca等研究了热处理对Si02-Na20-Nb205系玻璃陶瓷的电学以及介电性能的影响。研究发现，组成为60Si02-30Na20-10Nb205(mol% )体系的玻璃在650°C热处理4h，材料介电常数最高达48.19，介质损耗最低为1.07。Shyu等通过整体析晶法制备出铌酸锶钡基玻璃陶瓷，随烧结温度升高，SBN相含量增加，计算析晶相含量高达40%，介电常数最大为180 ;随后又研究的(SrO，Ba0)-Nb205体系玻璃陶瓷，发现析晶温度低于1000°C时，样品的介电常数高达351，击穿强度可达4.5kV/cm,剩余极化强度0.15 μ C/cm2。随后，Zeng等人研究8&?2添加剂对Sr0-Ba0-Nb205-B203玻璃的析晶动力学和介电性能的影响，发现该体系微晶玻璃的介电常数随BaF2添加量的增大呈现先增大后减少的变化，而耐击穿出现一直变大的趋势。当添加5mol% BaFJ#，得到介电常数?337，耐击穿?527kV/cm最优性能的微晶玻璃陶瓷。JunLuo等基于Na20-Pb0_Nb205-Si02玻璃陶瓷体系，成功制备出性能优良的多层结构电容器，储能密度达8J/cm3。鉴于PbO对环境和人们造成的危害，Liu等对上述体系进行了 SrO替代Pb的研究，发现热处理温度对晶体析出和介电性能影响较大。SrO替代PbO为6mol %时，经过900°C /3h热处理的样品介电常数达600，介电损耗基本不变。Xue等人通过研究不同比例的Ba/Na比对(BaO，Na20)_Nb205_Si02体系的介电性能研究，发现当Ba/Na为4时的储能密度高达?5.lj/cm3。通过一定的调节陶瓷相的组成、优化、改变析晶温度对提高玻璃陶瓷的储能密度具有重要的意义。申请号为201210254299.4的中国专利公布了一种钛酸锶钡基玻璃陶瓷储能材料的制备方法，包括以下步骤:按(BaxSri x)Ti03-aAl203_bSi02配料，其中x = 0.4?0.6、(a+b) / (2+a+b) = 0.3?0.35、a/b = 0.5?1.0，经球磨混料后烘干，高温熔化；将高温熔体浇注至金属模具中，去应力退火，然后经切割得厚度为0.5?1.0mm的玻璃薄片；将玻璃薄片进行受控析晶，得到玻璃陶瓷；将玻璃陶瓷在微波炉中进行微波热处理，制得高储能密度的玻璃陶瓷电介质。该方法虽然简单，但是所制备的玻璃陶瓷材料的介电常数较低。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种制备成本低、制备工艺简单、介电常数高、储能密度大的。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现:高储能密度的铌酸盐基玻璃陶瓷储能材料，该材料的化学组成为60wt% -40wt % (80% Si02-10% Al203_10 % B203)，其中 x = 0 ?40但不为0。优选的，x为25，此时为最优储能密度，钾/锶比例为1:1。高储能密度的铌酸盐基玻璃陶瓷储能材料的制备方法，采用以下步骤:(1)以K2C03、SrC03、Nb205、Si02、A1203、B203为原料，利用高精度天平(分度值为0.0001g)称取上述设计的六种配方原料，经行星球磨混料24h后，在100°C?120°C烘干；干燥的混料放入刚玉坩祸在1500°C?1550°C进行高温熔化，制得高温玻璃融浆；(2)将步骤(1)制备的高温玻璃熔浆浇入预热的铜模具中成型并保持该预热温度5?6h去除玻璃内的残余应力，将得到的透明玻璃体被切割成长方体玻璃薄片；(3)将步骤(2)制得的玻璃薄片进行受控析晶，即制得高储能密度的铌酸盐基玻璃陶瓷储能材料。原料K2C03、SrC03、Nb205、Si02、A1203、B203的纯度均大于 99wt%。步骤(1)进行球磨时的磨球与原料的重量比为1.5:1，磨球的主要化学成分为Zr02，球磨介质为无水乙醇，进行高温熔化的升温速度为100°C /h，高温熔化的时间为2?3h。步骤⑵中铜模具的预热温度为500°C?550°C。步骤(2)中利用金刚石切割机将透明的玻璃块体切割成等大小等厚度的玻璃薄片，切割的玻璃薄片的长X宽X高为8本文档来自技高网...
【技术保护点】
高储能密度的铌酸盐基玻璃陶瓷储能材料，其特征在于，该材料化学组成为60wt％[(50‑x)％K2O‑x％SrO‑50％Nb2O5]‑40wt％(80％SiO2‑10％Al2O3‑10％B2O3)，其中x＝0～40但不为0。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：翟继卫，肖石，修绍梅，沈波，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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